小學(xué)初級人工智能作品“智能夜燈”設(shè)計與開發(fā)

羅倩茹 秦健 劉全銘

摘 ? 要：隨著科技的不斷發(fā)展，人工智能的發(fā)展趨于成熟，人工智能在K12階段的教育應(yīng)用逐漸受到大家的關(guān)注。國內(nèi)人工智能課程的開設(shè)以推廣編程教育為主，Scratch圖形化編程類工具降低了學(xué)生學(xué)習編程的門檻，為小學(xué)階段引入編程教育提供了可能。文章基于ai2與micro：bit通信系統(tǒng)“智能夜燈”的作品案例，利用SCS創(chuàng)客教學(xué)法進行教學(xué)設(shè)計與實踐，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和問題解決能力，制作出具有人機交互功能的智能作品，為人工智能教育的教學(xué)實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：智能作品;圖形化編程;App Inventor2;micro：bit;教學(xué)設(shè)計與實踐

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）21-0060-04

一、引言

隨著近年來大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，我國相繼發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》、《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》、《中國教育現(xiàn)代化2035》，人工智能逐漸進入教育領(lǐng)域。聯(lián)合國教科文組織日前發(fā)布的《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇》報告提出，有研究預(yù)測，2021年之前數(shù)字教育市場將每年增長5%;2017-2021年，人工智能市場將增長50%。2019年5月16日召開的國際人工智能與教育大會，來自40個國家和地區(qū)的知名企業(yè)家、業(yè)界代表共同探討人工智能在未來教育的發(fā)展方向。人工智能教育在科技的進步與社會需求的共同促進下，一場人工智能的科技熱潮正在興起。

當下，在創(chuàng)客教育落地生根的素質(zhì)教育改革行動中，各地中小學(xué)正以創(chuàng)客教育的軟（Scratch）硬（Arduino）智（Robot）造（3D打?。┧拇竺浇闉橹饕獌?nèi)容開設(shè)創(chuàng)客課程。[1]其中App Inventor2與micro：bit作為軟件與智能硬件領(lǐng)域的主要代表之一，兩者與人工智能的結(jié)合有著天然優(yōu)勢，特別是在小學(xué)階段采用Scratch圖形化編程類軟件，對學(xué)生學(xué)習人工智能可以起到啟蒙的作用。本文以ai2與micro：bit通信系統(tǒng)“智能夜燈”為例，圍繞智能教育、編程教育、創(chuàng)客造物，對人工智能領(lǐng)域寓教于樂的小學(xué)啟蒙創(chuàng)客教育方案進行探究。

二、通信系統(tǒng)的載體介紹

1.ai2簡介

App Inventor 2 簡稱 ai2，為了和人工智能（Artificial Intelligence）區(qū)別，簡稱用小寫。ai是一個可視化的安卓應(yīng)用制作平臺，用戶使用瀏覽器打開ai平臺網(wǎng)站，通過拖拽組件和邏輯塊，即可完成安卓應(yīng)用的制作。App Inventor2的程序設(shè)計主要包含兩個方面——組件設(shè)計與邏輯設(shè)計。組件設(shè)計即App端的界面設(shè)計，根據(jù)作品功能的需求，先從組件區(qū)選擇合適的按鈕和標簽等組件并拖拽進App界面，再完成組件屬性設(shè)置即可。邏輯設(shè)計即程序設(shè)計，采用積木式拖拽編程界面，適用于小學(xué)階段學(xué)生入門編程教育。

2.micro：bit簡介

micro：bit 是一款由英國廣播電視公司（BBC）為青少年編程教育設(shè)計（使用積木式拖拽編程），并由微軟、三星、ARM、英國蘭卡斯特大學(xué)等合作伙伴共同完成開發(fā)的微型電腦。micro：bit僅有信用卡的一半大小，搭載了5x5可編程LED點陣、兩顆可編程按鍵、加速度計、電子羅盤、溫度計、藍牙等電子模塊。

三、App Inventor2控制micro：bit通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1.App Inventor2與micro：bit通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

ai2與micro：bit的通信系統(tǒng)通過BlockyTalkyBLE藍牙模塊連接，ai2與micro：bit端通信系統(tǒng)設(shè)計方案如下：第一，ai端通過藍牙掃描micro：bit端的藍牙地址;第二，ai端控制連接micro：bit端藍牙;第三，ai端發(fā)送指令數(shù)據(jù)控制micro：bit硬件;第四，ai端斷開與micro：bit端的藍牙連接。在ai2端進行通信系統(tǒng)的設(shè)計時需要添加BlockyTalkyBLE的藍牙拓展模塊，micro：bit端添加BlockyTalkyBLE的藍牙拓展包，ai2通過BlockyTalkyBLE藍牙拓展模塊發(fā)送指令，micro：bit接收到指令后，兩者之間進行配對連接。藍牙連接成功后，使用ai2端設(shè)計的手機App軟件控制micro：bit硬件端。[2]

（1）ai2通信端的組件設(shè)計

ai2端的組件設(shè)計主要包括兩個部分，可視組件和非可視組件。可視組件為micro：bit藍牙連接模塊，共分為三個區(qū)——藍牙控制區(qū)、藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)、藍牙地址顯示區(qū)。藍牙控制區(qū)主要實現(xiàn)ai2與micro：bit藍牙通信功能，包括藍牙掃描、藍牙連接、藍牙斷開;藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)主要顯示ai2與micro：bit的藍牙連接狀態(tài);藍牙地址顯示區(qū)主要顯示掃描的micro：bit地址。非可視組件為BlockyTalkyBLE藍牙拓展模塊。

（2）ai2通信端的邏輯設(shè)計

ai2端的邏輯設(shè)計主要分為六大部分：第一，當掃描按鈕被點擊時，調(diào)用BlockyTalkyBLE的開始掃描模塊，并將藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)的文本狀態(tài)改為“掃描中”;第二，當BlockyTalkyBLE發(fā)現(xiàn)micro：bit的藍牙地址時，將藍牙地址顯示區(qū)的元素字符串修改為micro：bit的地址;第三，當連接按鈕被點擊時，調(diào)用BlockyTalkyBLE的連接micro：bit模塊，其序號為藍牙地址顯示區(qū)的選中項索引，并且將藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)的文本狀態(tài)改為“連接中”;第四，當BlockyTalkyBLE已連接時，將藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)的文本狀態(tài)改為“已連接”;第五，當斷開按鈕被點擊，調(diào)用BlockyTalkyBLE的斷開連接模塊，將藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)的文本狀態(tài)改為“斷開中”;第六，當檢測到BlockyTalkyBLE已斷開連接時，將藍牙連接狀態(tài)顯示區(qū)的文本狀態(tài)改為“已斷開”。ai2通信端組件設(shè)計與邏輯設(shè)計如圖1所示。

（3）micro：bit通信端的設(shè)計

藍牙拓展模塊的添加方式有兩種：第一種是通過直接搜索“BlockyTalkyBLE”添加的方式;第二種是通過BlockyTalkyBLE的項目網(wǎng)址進行搜索。

2.基于智能夜燈的App Inventor2移動發(fā)送端的設(shè)計與開發(fā)

ai2移動發(fā)送端的設(shè)計主要包括開燈模塊和關(guān)燈模塊兩部分。當開燈按鈕被按下時，調(diào)用BlockyTalkyBLE發(fā)送key的“open”值為“1”的指令;當關(guān)燈按鈕被按下時，調(diào)用BlockyTalkyBLE發(fā)送key的“close”值為“0”的指令。

3.基于智能夜燈的micro：bit硬件接收端的設(shè)計與開發(fā)

micro：bit接收端的設(shè)計主要包括兩部分：第一，對ai端觸發(fā)“開燈”按鈕的響應(yīng)，當接收到key值“open”時，如果檢測到室內(nèi)亮度值<30，則顯示圖標，否則，清空屏幕;第二，對“關(guān)燈”按鈕觸發(fā)的響應(yīng)，當接收到key值“close”時，清空屏幕。

四、ai2控制micro：bit通信系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計與實踐

1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習者對象分析

本節(jié)課“智能夜燈”通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)主要涉及的是App Inventor2與micro：bit的編程，兩者的編程都采用積木式拖拽的圖形化編程界面，App Inventor2與micro：bit都可以采用在線編程的方式進行編程，使用的硬件包括移動手機和micro：bit板。

本次教學(xué)實踐開展對象為S小學(xué)五年級學(xué)生，屬于小學(xué)高年級學(xué)段，主要側(cè)重編程的基本知識與基本技能的掌握。學(xué)生在四年級時已經(jīng)進行過為期一年的Scratch編程課程的學(xué)習，學(xué)生的編程能力有了一定的基礎(chǔ)，并且對圖形化界面的編程較為熟悉。前面幾節(jié)課中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習了micro：bit的基礎(chǔ)課程，可以獨立完成顯示圖案、顯示字符串、指南針的設(shè)計開發(fā)等基礎(chǔ)案例。

2.教學(xué)目標

在知識與技能方面，要求學(xué)生了解ai2與micro：bit通信系統(tǒng)的通信原理，學(xué)會在ai端micro：bit端運用圖形化界面進行編程，并實現(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

在過程與方法方面，要求學(xué)生在掌握“智能夜燈”設(shè)計開發(fā)原理的基礎(chǔ)上，理解編程代指令的功能和意義，并且能進行個性化的二次設(shè)計與開發(fā)。

在情感態(tài)度價值觀方面，通過智能夜燈通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，讓學(xué)生在學(xué)到知識的基礎(chǔ)上體驗到自主設(shè)計開發(fā)APP的樂趣，提高學(xué)生的動手能力、問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。[3]

3.教學(xué)重難點

本節(jié)課教學(xué)重點是App Inventor2移動發(fā)送端的組件設(shè)計與邏輯設(shè)計，教學(xué)難點是ai2與micro：bit藍牙通信系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

4.教學(xué)方法與模式

采用SCS創(chuàng)客教學(xué)法，從兒童最擅長的模仿學(xué)習入手，將整個教學(xué)活動分為七個部分，簡化了教師開展創(chuàng)客教育的過程，并提升教師在創(chuàng)客教育中的使命感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，并且讓學(xué)生更好地享受到創(chuàng)新和分享的快樂。[4]

5.教學(xué)流程

6.教學(xué)評價

采用小組評價和教師評價相結(jié)合的方式，在成功作品分享階段對各個小組進行評價，評價包括過程性評價和結(jié)果性評價。通過小組之間的匯報講解從小組的合作分工、解決問題的能力、匯報演示等方面進行綜合過程性評價;通過學(xué)生作品的展示，從設(shè)計的美觀性、實用性、易用性等方面進行綜合結(jié)果性評價。[5]

7.教學(xué)反思

通過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，基于作品的SCS教學(xué)法更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，特別是基于生活中實際問題的情境化教學(xué)效果更優(yōu)。在教學(xué)中提倡以學(xué)生為中心，教師在課堂教學(xué)中做好引導(dǎo)與啟發(fā)，讓學(xué)生自主嘗試探究解決問題的方法。

五、人工智能課程的教學(xué)建議

在國內(nèi)中小學(xué)人工智能與機器人課程的開設(shè)以社團課為主，教學(xué)模式大多采用傳統(tǒng)講授式，側(cè)重于教師講解與學(xué)生模仿，缺乏創(chuàng)新性和創(chuàng)造性。要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維與編程思維，必然要采用新型的教學(xué)理念與模式。SCS創(chuàng)客教學(xué)法將教學(xué)環(huán)節(jié)主要分為“模仿——創(chuàng)新——分享”這三個階段，彌補了傳統(tǒng)課堂中缺失的創(chuàng)新與經(jīng)驗分享總結(jié)反思的階段，在人工智能與機器人課程的教學(xué)中可以嘗試使用這一教學(xué)方法。在使用SCS創(chuàng)客教學(xué)法進行教學(xué)設(shè)計時，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、學(xué)習者特征進行靈活變通，注重課堂的動態(tài)化，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力以及問題解決能力。

1.選擇合適的教學(xué)案例

教學(xué)案例的選取基于趣味性、整合性、創(chuàng)造性三原則，既要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，又要深入淺出、由易到難，重點突出學(xué)生創(chuàng)造性發(fā)揮的可能，讓學(xué)生有足夠的最近發(fā)展區(qū)可以在基礎(chǔ)案例之上進行二次設(shè)計開發(fā)。

2.強調(diào)以學(xué)生為中心的學(xué)習

學(xué)生作為課堂的主體，在教學(xué)過程中理應(yīng)受到尊重和關(guān)注，教師在教學(xué)過程中通過簡單案例模仿的方式講授本節(jié)課知識要點，通過任務(wù)驅(qū)動的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，通過提問的方式引導(dǎo)學(xué)生思考討論。整個教學(xué)過程以學(xué)生為中心，教師扮演著啟發(fā)者的角色，幫助學(xué)生解決在完成任務(wù)時遇到的問題，從而提高學(xué)生的動手能力、解決問題的能力。

3.注重師生的總結(jié)反思評價

反思是對自己的思維過程、思維結(jié)果進行再認識的檢驗過程，是教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)。教師需要不斷對自己的教學(xué)進行總結(jié)反思并加以改進。與此同時，也要不斷創(chuàng)造反思的條件，引導(dǎo)學(xué)生自覺總結(jié)反思，讓學(xué)生在總結(jié)中學(xué)習，在反思中成長，在評價中進步。

六、結(jié)束語

人工智能時代已經(jīng)來臨，對人工智能知識的學(xué)習也要“從娃娃抓起”。在小學(xué)階段開展人工智能的課程勢在必行。開源軟硬件的引入使小學(xué)階段人工智能的學(xué)習更為平民化，學(xué)生可以DIY做出屬于自己的人工智能作品。希望小學(xué)生能夠從做中學(xué)、在學(xué)中玩、以學(xué)為樂、以做為趣，積極把自己的創(chuàng)意想法變?yōu)楝F(xiàn)實，樂于分享，在完成作品中不斷提升自己的問題解決能力、創(chuàng)新能力，為適應(yīng)人工智能時代的到來打下扎實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]吳鑫.小學(xué)創(chuàng)客教育初級人工智能作品的設(shè)計——以開源機器人“小菠蘿”存錢罐作品為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（6）：122-126.

[2]兆.micro：bit 藍牙與app inventor 的通信及智能語音播報[EB/OL]. http：//mc.dfrobot.com.cn/thread-276112-1-1.html.

[3]康斯雅，鐘柏昌.糾錯復(fù)原型機器人教學(xué)案例研究[J].數(shù)字教育，2019（1）：37-41.

[4]傅騫.基于“中國創(chuàng)造”的創(chuàng)客教育支持生態(tài)研究[J].中國電化教育，2015（11）：6-12.

[5]盧曉琦，秦健.基于STEAM理念的小學(xué)機器人項目教學(xué)實踐——以LEGO機器人“駕考寶典”項目為例[J].中小學(xué)電教，2018（Z2）：76-79.

（編輯：王天鵬）